許志峰， 尹俊婷， 何 超， 劉 揚

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

0 引 言

云爆戰(zhàn)斗部是內部裝填有高能活性燃料， 通過拋撒炸藥的爆炸驅動加載作用[1-3]， 高能燃料被拋撒到空氣中， 形成一定空間覆蓋范圍的活性云團[4-6]， 再經起爆炸藥二次起爆， 活性云團產生體爆轟的殺傷性武器[7-10]. 體爆轟的爆炸方式產生的沖擊波具有沖量高[11]、 持續(xù)作用時間長等特點[12]； 其與固體炸藥爆轟場相比， 體爆轟場產生的沖擊波超壓峰值雖不高[12]， 但沖擊波衰減得慢[13]， 低壓(≥0.029 MPa)作用范圍遠高于同質量的固體炸藥[13]， 超過0.029 MPa的超壓區(qū)域可以對人員造成中等殺傷效果[14]， 在戰(zhàn)場上足以對人員造成足夠的傷害[12]， 使其喪失作戰(zhàn)能力， 因此， 云爆戰(zhàn)斗部是戰(zhàn)場上以人為目標的有效殺傷性武器之一.

云爆戰(zhàn)斗部的云團尺寸影響著起爆后爆轟波的發(fā)展及傳播[15]， 進而影響爆轟場沖擊波超壓大小及低壓(≥0.029 MPa)作用范圍. 田園[15]等研究了云團形態(tài)對爆轟壓力場的影響， 研究結果表明， 沖擊波超壓的衰減隨云團徑向尺寸的增加而減慢， 對于相同質量的裝藥量， 扁平形狀的云團形態(tài)可達到最好的破壞效應， 低壓(≥0.029 MPa)作用范圍可達到最大. 因此， 云團尺寸是云爆戰(zhàn)斗部重要設計參量之一， 對云團尺寸的控制技術是云爆戰(zhàn)斗部關鍵技術之一.

關于燃料拋撒后云團尺寸的影響因素， 國內外已經開展大量工作. 郭俊[16]等研究了端蓋對FAE戰(zhàn)斗部拋撒云團的影響， 研究結果表明， 端蓋的材料屈服強度和厚度越大， 對燃料的軸向拋撒限制效果越好， 有利于燃料的拋撒. 李席[17]等研究了燃料種類和比藥量對液固復合燃料空氣炸藥云團狀態(tài)的影響. 研究結果表明， 在一定范圍內， 比藥量只影響燃料軸向拋撒. 惠君明[18]等對燃料拋撒與云團狀態(tài)的控制進行了研究， 研究結果表明， 控制云團狀態(tài)的因素主要是： 彈體結構、 高徑比、 拋撒炸藥、 延遲時間等. 郭學永[19]等研究了長徑比對FAE云團狀態(tài)的影響， 研究結果表明， 長徑比不是FAE云團最終形態(tài)的主要影響因素. 最終的云團形態(tài)與裝填的燃料量有關. 以上研究所采用的戰(zhàn)斗部殼體均為圓柱形， 對于非圓柱形殼體對拋撒云團尺寸的影響研究尚未見公開報道.

云爆戰(zhàn)斗部內部裝填的燃料為固液相， 戰(zhàn)斗部殼體內腔形狀決定了燃料的初始形狀， 燃料初始形狀是拋撒后云團尺寸的主要影響因素之一. 戰(zhàn)斗部在武器平臺上應用時， 為了具有較好的氣動外形， 殼體外形通常為非圓柱形. 張明星[20]等介紹了遠程火箭彈武器平臺， 所裝備的戰(zhàn)斗部采用圓錐圓柱結合殼體外形(簡稱柱錐形)， 雷娟棉[21]等介紹了高制導航彈武器平臺， 所裝備的戰(zhàn)斗部采用圓錐殼體外形. 因此， 研究非圓柱形殼體結構對拋撒云團尺寸的影響具有實際意義， 本文通過設計相同裝藥量不同殼體形狀的云爆戰(zhàn)斗部， 對比分析拋撒實驗結果， 研究殼體形狀對云爆戰(zhàn)斗部拋撒云團尺寸的影響.

1 實 驗

本次實驗采用的云爆戰(zhàn)斗部共3發(fā)， 戰(zhàn)斗部外形尺寸如圖 1～圖 3 所示， 云爆劑裝藥量均為300 kg量級， 戰(zhàn)斗部的殼體均采用ZL-114A材料(GB/T 1173)， 戰(zhàn)斗部的長度均為1 m級， 殼體外形分別采用圓錐形殼體(圓錐角10.6°)、 柱錐形殼體(圓錐角18.1°)和圓柱形殼體(圓錐角0°)， 戰(zhàn)斗部殼體壁厚均為5 mm量級. 3發(fā)戰(zhàn)斗部采用的拋撒藥均為TNT， 拋撒藥尺寸質量均為3 kg量級. 實驗時， 戰(zhàn)斗部離地面高度均為1 m量級， 彈軸線垂直于地面.

云爆劑及TNT由西安近代化學研究所提供.

圖 1 圓錐形殼體外形Fig.1 Conical shell shape

圖 2 柱錐形殼體外形Fig.2 Conical and cylindrical shell shape

圖 3 圓柱形殼體外形Fig.3 Cylindrical shell shape

2 結果與分析

本次實驗的3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部不同時刻(0 ms, 25 ms, 50 ms)拋撒云團尺寸如圖 4～圖 6 所示. 50 ms時三種形狀的殼體拋撒形成的云團均為扁平圓柱形.

圖 4 圓錐形殼體Fig.4 Conical shell

圖 5 柱錐形殼體Fig.5 Conical and cylindrical shell

圖 6 圓柱形殼體Fig.6 Cylindrical shell

本次實驗的3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部拋撒實驗分別開展， 圖 4～圖 6 所示照片對云爆戰(zhàn)斗部取景主要是為了觀察拋撒云團形態(tài). 實驗前在實驗場地放置了固定距離的標桿作為比例尺， 實驗結束后通過比例尺對拋撒云團直徑進行等比例換算， 可得出拋撒云團直徑隨時間變化的數(shù)據(jù)， 如圖 7 所示， 拋撒云團的高度隨時間的變化如圖 8 所示.

圖 7 云團直徑隨時間的變化Fig.7 Variation of cloud diameter with time

圖 8 云團高度隨時間的變化Fig.8 Variation of cloud height with time

文獻[22]中報道了云爆劑爆炸拋撒的運動特征， 研究結果表明， 拋撒炸藥起爆后， 燃料沿徑向射流運動， 40 ms左右， 射流完全消失， 燃料與空氣混合形成云團， 燃料后續(xù)的運動為擴散運動. 從圖 7 中可以看出， 圓柱形殼體和柱錐形殼體拋撒40 ms前云團直徑隨時間變化較大， 可見燃料沿徑向做射流運動， 40 ms后射流運動逐漸消失[22]， 燃料與空氣混合形成云團， 后續(xù)的運動轉為擴散運動. 從數(shù)據(jù)中可以看出， 燃料在射流運動過程中云團尺寸變化快， 當燃料處于擴散運動時云團尺寸的增加變得緩慢， 因此， 云團尺寸主要由射流運動決定. 在云爆戰(zhàn)斗部實際應用中， 拋撒后50 ms已經達到了可以進行二次起爆的時間， 因此， 本文研究從起爆開始到拋撒50 ms時的云團尺寸數(shù)據(jù).

本文試驗研究出現(xiàn)的現(xiàn)象及分析原因如下：

1) 由圖 7 可知， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團的直徑均隨時間增加而增大. 在45 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團直徑最大， 圓錐形殼體拋撒云團直徑居中， 柱錐形殼體拋撒云團直徑最小. 在45 ms后， 圓錐形殼體拋撒云團直徑超過圓柱形殼體拋撒云團直徑， 成為最大. 分析3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團直徑的增長趨勢， 在25 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團直徑增大速度較大， 在25 ms以后， 這種殼體拋撒云團直徑增大速度逐漸減小， 而圓錐形殼體拋撒云團直徑增大速度未出現(xiàn)隨時間逐漸減小的趨勢， 因此， 在45 ms后， 圓錐形殼體拋撒云團直徑成為最大. 出現(xiàn)該結果可能的原因之一為： 拋撒炸藥起爆后， 殼體破裂， 云爆劑的拋撒初始方向為殼體法線方向， 柱錐形殼體圓錐角最大， 圓錐形殼體圓錐角居中， 圓柱形殼體圓錐角最小， 隨著殼體圓錐角的增加， 沿著戰(zhàn)斗部徑向的速度分量減小， 因此， 在 25 ms 之前， 出現(xiàn)拋撒云團直徑增大幅度隨著殼體圓錐角增大而減小的現(xiàn)象. 在25 ms以后， 拋撒云團直徑增大幅度的快慢主要由徑向運動射流存在時間的長短而定. 由于圓錐形殼體的最大直徑比圓柱形殼體和柱錐形殼體都大， 在最大直徑的截面上， 云爆劑的質量多， 形成射流的質量大， 從而慣性高， 射流存在時間長， 速度衰減得慢， 在45 ms之后， 圓錐形殼體拋撒云團直徑成為最大， 在50 ms時， 圓錐形殼體拋撒云團直徑比圓柱形殼體拋撒云團直徑大8%， 比柱錐形殼體拋撒云團直徑大41%.

2) 由圖 8 可知， 13 ms以前， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團的高度增大速度較大， 而且3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團高度隨時間變化的曲線基本重合. 在13 ms以后， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團的高度增大速度大幅度減小. 圓錐形殼體拋撒云團高度最小， 圓柱形殼體拋撒云團高度居中， 柱錐形殼體拋撒云團高度最大. 出現(xiàn)這種結果可能的原因之一為： 3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部殼體長度相同， 拋撒藥的尺寸也相同， 因此， 拋撒藥與殼體兩端之間的云爆劑厚度相同. 拋撒炸藥起爆后， 拋撒藥與殼體兩端的云爆劑被加速， 沿軸向運動， 由于3發(fā)戰(zhàn)斗部的拋撒藥與殼體兩端的云爆劑厚度相同， 拋撒藥尺寸也相同， 拋撒藥與殼體兩端之間的云爆劑加載模式相近， 因此， 在13 ms以前， 出現(xiàn)3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團高度基本重合的現(xiàn)象. 在13 ms以后， 云團高度主要由沿著徑向運動的云爆劑在軸向上霧化的程度決定. 圓錐形殼體拋撒云團徑向射流存在時間最長， 軸向上霧化的量最少， 因此， 云團高度最小.

3) 結合3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團直徑和高度來分析， 在45 ms以后， 圓錐形殼體拋撒云團直徑最大， 有利于提高云團的毀傷面積， 而拋撒云團高度最小， 提高了云團能量密度， 進一步提高了云團的爆炸威力.

3 結論與展望

3.1 結 論

1) 本文實驗的3發(fā)戰(zhàn)斗部， 在45 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團直徑最大， 圓錐形殼體拋撒云團直徑居中， 柱錐形殼體拋撒云團直徑最小. 但圓錐形殼體拋撒云團直徑增長速度減小得慢， 在50 ms時， 圓錐形殼體拋撒云團直徑成為最大， 比圓柱形殼體拋撒云團直徑大8%， 比柱錐形殼體拋撒云團直徑大41%. 拋撒云團直徑增大有利于提高戰(zhàn)斗部的毀傷面積.

2) 本次實驗的3發(fā)戰(zhàn)斗部， 13 ms以前， 拋撒云團高度隨時間變化的曲線基本重合. 在13 ms以后， 圓錐形殼體拋撒云團高度最小， 拋撒云團高度減小提高云團的能量密度， 可以進一步提高了云團的爆炸威力. 研究結果為云爆戰(zhàn)斗部殼體結構優(yōu)化設計提供實驗數(shù)據(jù)參考.

3.2 展 望

1) 對于圓錐形殼體的戰(zhàn)斗部， 拋撒云團直徑最大時的殼體圓錐角， 還需要后續(xù)進一步開展深入研究.

2) 當云爆劑裝藥量改變時， 拋撒云團直徑最大時對應的殼體形狀， 還需要后續(xù)進一步開展深入研究.